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水下高速航行体发射系统的设计及超空泡流场特性研究

周浩磊  
【摘要】:高速物体出入水现象被公认为是一个经典的流体冲击动力学问题。该现象在现实生活中比较常见,一直以来,相关的研究成果在工业、自然科学以及国防技术等领域里有着广泛而又重要的应用。但是由于伴随高速物体出入水过程所产生的超空泡问题涉及到液面和空泡界面这两个非线性自由边界,具有较强的非线性和瞬变特性,现有的实验研究方法和数值模拟技术都不能很好的对相关物理过程作出准确的测量和预报。 本文以实验研究为主要研究手段,对高速航行体的出入水过程开展了一系列的研究。主要工作和研究结果包括:(1)通过自行设计和研制一套安全可靠、操作方便、效果明显的水下高速航行体发射试验研究系统,结合运用高速摄影技术实现了对高速航行体出入水过程的流场可视化研究;(2)高速航行体入水过程中的“尾拍”效应主要表现为航行体尾部与空泡壁面的来回振荡碰触作用,这种振荡最直接的影响体现在航行体后端“三维振荡型螺旋状轨迹尾流”的产生和发展;(3)超空泡的尾部流场会呈现出较强的湍流特性,由气泡组成的尾涡会发生周期性地脱落,一系列的涡会交替地从物体两边脱落,航行体上空泡的非对称性脱落会使周围的流场受到扰动,引起压力分布脉动,导致航行体运动方向发生显著变化;(4)高速航行体出入水过程会破坏自由液面的稳定性,最直接的体现就是自由液面上入水“喷溅”和出水“喷溅”的形成、发展和回落,航行体的几何特征、发射速度、发射攻角都是影响出航行体入水过程液面稳定性的重要因素;(5)航行体在水中的速度总体变化呈现出较强的衰减特性,航行体在超空泡状态运行下其运动阻力系数会减小,其速度衰减趋势会变缓,超空泡的减阻效应得到了验证;(6)出水过程中,在航行体上会发生自上而下的空泡溃灭,空泡溃灭的程度对航行体出水过程的运动稳定性会造成较大影响;(7)航行体在出水瞬时会发生一个短暂的加速过程,但随后的趋势依然是减速,当航行体完全出水后,在自由液面附近会形成一个有向上运动趋势的气液混合搅拌流场。 本论文深入研究了伴随超空泡产生的高速航行体出入水过程,为相关问题的后续深入研究提供了大量详实可靠的实验数据,为今后进一步的研究工作打下坚实基础。


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